照明中光的基本知识

光的基本概念

光是能量的一种形态,这种能量能从一个物体传播到另一个物体,在传播过程中无需任何物质作为媒介,这种能量的传递方式被称为辐射。

实践证明,光具有波动性,光线的方向也就是波传播的方向。约100年前,人们已证实了光的本质是电磁波。光在一种介质(或无介质)中传播时,它的传播路径将是直线,并称之为光线。在另一方面,光与物质的相互作用中,主要显示出微粒性,即光具有波动性和微粒性的二重性。与之相对应,关于光的现象也有两种,即光的波动现象和光的量子现象。

1) 光的波动现象

光的电磁波波动现象认为光是能在空间传播的一种电磁波。电磁波的实质是电磁振荡在空间的传播。

所有的电磁波在真空中传播时具有相同的传播速度c,即

c=1ε0μ0(1.1)

式中：ε0——真空的介电常数，ε0=14π×8.98755×109(F／m)；

μ0——真空的磁导率，μ0=4π×10-7(H／m)。

由此可得电磁波在真空中的传播速度为：c=2.997925×108（m／s）。

不同的电磁波在真空中的传播速度虽然都相等,但它们的振动频率和波长各不相同,三者的关系为：

c=λν(1.2)

式中：ν——电磁波的频率（Hz）；

λ——电磁波的波长(m)。

电磁波在介质中传播时,其频率由辐射源决定而不随介质而变,但传播速度将随介质而变。在介质中电磁波的传播速度v为：

v=λνn(1.3)

式中：v——电磁波在介质中的传播速度(m／s)；

n——介质的折射率。

电磁辐射的波长范围是极其广泛的,波长不同的电磁波其特性可能有很大的差别,这些波段不同的电磁波是由不同的辐射源产生的,它们对物质的作用不同,因而有不同的作用和测量方法。若将各种电磁波按波长依次排列可以得到电磁波谱。

电磁波的波长范围极其宽阔,而可见光只占其中极狭窄的一个波段。电磁波可见部分的波长范围约在380～780nm之间,在这个范围内的各种波长,都可凭眼睛的颜色感觉来加以区别。将可见光按波长从380～780nm依次展开,光将分别呈现紫、蓝、青、绿、黄、橙、红色。各种颜色的波长范围大致如下:

紫色:380～450nm；蓝色:450～480nm；青色:480～500nm；绿色:500～580nm；黄色:580～595nm；橙色:595～620nm；红色:620～760nm。

波长超过可见光谱的紫色和红色两端的电磁辐射,分别称为紫外辐射和红外辐射。紫外辐射的短波段可延伸到1nm(1～380nm),短于1nm的是X射线。红外辐射的长波段可到1mm左右,更长的波段属于无线电波的范围。虽然眼睛不能感觉到紫外和红外辐射的存在,但从生理上能感觉得到,其他特性均与可见光极相似。通常把紫外线、红外线和可见光统称为光。

光的电磁理论可以解释光在传播过程中出现的一些现象,如光的干涉、衍射和色散等。这说明光在传播过程中主要表现为波动性。

2） 光的量子现象

波动理论虽然能完满地描述光的传播过程,但不能正确地解释光的发射和吸收。实验表明，当光(或其他形式的电磁辐射)发射和吸收时,总含有被称为“量子”的分立的能量值。一个光能量的量子称为一个光子,它所携带的能量q可由普朗克(Planck)关系式给出:

q=hυ(1.4)

式中：q——光子的能量（J）；

υ——光子的振动频率(Hz);

h——普朗克常数，h=6.6262×10-34 J?s。

可见，光的光子所具有的能量极小,1W的辐射功率就相当于每秒辐射出1018个光子。

1.1.2光的常用度量

1） 辐射通量

某物体单位时间内发射或接收的辐射能量,或在介质(也可能是真空)中单位时间内传递的辐射能量，称为辐射通量,或称为辐射功率,通常用符号Φe表示，即

Φe=dQedt(1.5)

在上述定义中,发射、接收或传递的辐射能量并未指明一定是可见光的能量,实际上可以包括任意波长的电感辐射的能量;当辐射的能量用J作为单位,时间用s作为单位,则辐射通量的单位为W。

2） 光谱辐射通量及其能量分布

(1) 光谱辐射通量

如果辐射源发出的辐射只含有一种波长成分,这样的辐射称为单色辐射。如果这种辐射是指光辐射,则只含一种波长成分的光辐射称为单色光。在照明工程中,实际照明光源发出的往往是含有多种波长成分的复合光。依据复合光中各种波长的辐射通量的分布情况,又可分为具有线光谱的复合光(只包含有限几种波长)和具有连续光谱的复合光(包含无限多种波长);并用光谱辐射通量来定量地描述复合光中各波长的辐射通量的分布。

光谱辐射通量定义为辐射源在给定波长λ附近取包含该波长的无限小波长范围,辐射源在该范围内产生的辐射通量dΦe与该波长范围dλ之比称为该给定波长处的光谱辐射通量,即

Φe,λ=dΦedλ(1.6)

若辐射通量dΦe的单位为W,波长范围dλ的单位为m，则光谱辐射通量的基本单位是W／m。

(2) 辐射通量的光谱分布

光谱辐射通量实际上可看做是波长的函数,因此，辐射源的辐射能量随波长而变化的规律可以用曲线来表示,并称之为辐射通量的光谱分布,又常称为光谱能量(功率)分布。

表示具有线光谱成分的复合辐射的光谱能量分布。表示理想线光谱成分的光谱能量分布,即每一个线光谱成分具有良好的单色性,因此，此时的光谱辐射通量就是某波长的辐射通量,记作Φe(λ)。但实际辐射源的线光谱成分往往不是理想的,即在其波长附近一定波长范围内均有一定的辐射,所示。在实际测量时,一般不可能也没有必要将每一波长的辐射都测量其辐射通量,而是分成若干波长段,测量其每一波长段的辐射通量。在照明工程的测量中,一般取5nm或10nm作为一波长段。经过处理后,具有线光谱成分的光谱能量分布。

实际光源的光谱能量分布可能还要复杂一些,例如气体放电光源通常既含有连续光谱成分,又具有线光谱成分。

已知光谱能量分布,式(1.6)还可改写为：

Φe=∫∞0Φe,λdλ(1.7)

用上述积分公式求辐射通量时,首先要知道光谱辐射通量随波长变化的函数关系,但通常很难用函数式来表示实际辐射源的光谱辐射通量,而只能用光谱能量分布曲线的形式表示。这时可用近似公式求辐射通量。求辐射通量实际上就是求光谱能量分布曲线与横轴之间所围的面积。在实际计算时，可用阶梯形代替原来的曲线,当波长间隔Δλ越小时,阶梯形折线就越接近于曲线,因此计算结果也就越精确。根据光谱能量分布曲线求解辐射通量的近似公式为：

Φe=∑ni=1Φe,λΔλi(1.8)

3） 光谱光效率

辐射通量是纯客观的物理量,未计及人的视觉效果。人的视觉器官受到可见光的刺激就会产生视觉。事实证明,光刺激所引起的视觉强度(光亮感觉的大小)不仅与光能量的大小有关,还与光的波长有关,在同样的环境条件下(指环境的明亮或昏暗状况),人们对辐射通量相同但波长不同的光,具有不同的灵敏度。通常用光谱光效率(或光谱光效能)来表示人眼的视觉灵敏度。

光谱光效能的意义是单位辐射通量产生的视觉强度，用符号K(λ)表示。光谱光效能的单位是lm／W。

实验证明,光谱光效能是波长的函数,且在某一波长下存在最大值。在明视觉条件下(适应亮度约为10cd／m2以上),当波长为555nm时,光谱光效能最大,称为最大光谱光效能,记作Km。国际光度学和辐射度学咨询委员会规定Km=683lm／W。

光谱光效率的定义为某波长光的光谱光效能K(λ)与最大光谱光效能Km之比,就是该波长光的光谱光效率V(λ),即

V(λ)=K(λ)Km(1.9)

式中：K(λ)——给定波长λ的光谱光效能；

Km——最大光谱光效能；

V(λ)——给定波长λ的光谱光效率。

光谱光效率可以看做是光谱光效能的相对值,是波长的函数,其最大值为1,发生在人们具有最大视觉效果的波长处。若偏离该波长时,光谱光效率将小于1。

光谱光效率除了与波长有关以外,还与光刺激强度有关,即同一波长的光,在环境适应亮度明暗不同的情况下,人眼对其敏感性是有差别的。此外,光谱光效率既然是评价人眼的视觉灵敏度的,就不可避免地存在着个人差异,这会给光的度量带来很大的困难,所以必须有一个统一的标淮。国际照明委员会(CIE)根据各国测试和研究的结果,提出了一个标准光度观察者,称为CIE标准光度观察者。根据有关研究,国际照明委员会给出了两种光谱光效率。第一种是在明亮条件下(适应亮度约为10cd／m2以上)获得的,称为明视觉光谱光效率,记作V(λ),在555nm波长处视觉效果最高。第二种是在昏暗条件下(适应亮度小于10-2cd／m2)获得的,称为暗视觉光谱光效率,记作V′(λ),最高视觉效果发生在507nm波长处。列出了各种波长下的CIE标准光度观察者光谱光效率。

出了上述两条光谱光效率曲线,其中实线表示的是明视觉条件下的光谱光效率,虚线表示的是暗视觉条件下的光谱光效率。在照明工程中主要应用明视觉光谱光效率,因此下文在未明确说明的情况下,均指明视觉条件。

4） 光通量

光通量的实质是光源在单位时间内向周围空间辐射出的使眼睛引起光感的能量。显然,光通量和辐射通量所描述的是同一个物理概念,只是辐射通量是从纯物理的角度来度量光,而光通量是通过人的眼睛来描述光。

根据一些国家权威实验室的测量结果,辐射功率为1W、波长为555nm的黄绿光,主观视觉量为683lm，则其他波长的光的辐射功率都为1W时,它们的光通量都小于683lm。由此辐射通量与光谱辐射通量的关系可得光通量的近似计算公式为:

Φv=Km∫780380Φe,λV(λ)dλ(1.10)

式中：Φv——光通量（lm）；

Km——最大光谱光效能,为一常数683lm／W；

V(λ)——明视觉下的光谱光效率；

Φe,λ——光谱辐射通量（W／nm）。

Φv的下标表示视觉,为了简便起见,在不会引起混淆的情况下常省去下标,即用Φ表示光通量。后文介绍的其他光度学物理量也与此同样处理。

式（1.10）中的积分上下限本应分别为∞和0,但实际上当波长小于380nm和大于780nm时,光谱光效率近似为0,因此光通量的近似计算公式为式。

在照明工程中,光通量用来说明光源发光能力的基本量。例如,一只40W白炽灯发射的光通量约为350lm，而一只40W荧光灯发出的光通量约为2500lm,为白炽灯的7倍。

5） 发光强度

发光强度简称光强,表示光源向空间某一方向辐射的光通密度。在讨论发光强度之前,先介绍立体角的概念。

(1) 立体角

立体角定义为任意一个封闭的圆锥面所围的空间。立体角是以锥的顶点为球心、半径为r的球面被锥面所截得的面积来度量的。当锥面在球面上截得的面积为dA时,则该立体角即为一个单位立体角dω,其表达式为:

dω=dAr2(1.11)

立体角的单位为球面度(sr)。由此可知,一个球体的立体角为：

ω=Ar2=4πr2r2=4π(1.12)

(2) 发光强度

一个光源向给定方向的立体角dω内发光强度的定义发射的光通量dΦ与该立体角之比,称为光源在给定方向的光强,用符号I表示,其表达式为：

I=dΦdω(1.13)

显然,发光强度是光源在指定方向上单位立体角内发出的光通量,或称之为光通量的立体角密度。发光强度可简称为光强,记作I,单位是cd,它是国际单位制中光度学的基本单位。

【例1.1】100W普通白炽灯输出的光通量为1250lm,假设光源向四周是均匀发射其光通量的,求光源某方向上的光强。

解根据题意,白炽灯是均匀地向四周发射光通量,因此它向任何方向的光强也是相等的。白炽灯共发出1250lm光通量,四周空间对白炽灯张的立体角为4π，故各方向的光强为：

I=Φω=12504π=99.5(cd)

6） 照度

光通量和光强主要用来表征光源或发光体发射光的强弱,而照度用来衡量落在物体表面上的光通量的多少,即照度是描述被照面被照射的程度的光度量。其定义为:被照物体表面上一点的照度等于入射到该表面包含这一点的面元上的光通量dΦ与面元的面积dA之比。简单地说，就是被照面上单位面积入射的光通量。照度用符号E表示,其表达式为：

E=dΦdA(1.14)

照度的国际单位制单位为lx。当1m2被照面上均匀地接收到1lm光通量时,该被照面上的照度值为1lx,即1lx=1lm／m2

也可用lm／m2作单位。若采用cm作长度单位,则照度单位用辐透(ph)来定义,1ph表示1cm2面积上均匀分布1lm光通量的照度值,即1ph=1lm／cm2。辐透的千分之一称为毫辐透(mph),即1mph=10-3ph。

照度的英制单位是英尺烛光，符号为fc。当1ft2被照面上均匀地接受1lm光通量时,该被照面的照度值为1fc,即1fc=1lm／ft2,而1lx=9.29×10-2fc。

lx是一个较小的单位,如在夏季中午日光下,地面照度可达105lx;在装有100W白炽灯的台灯下,桌面平均照度为200～300lx,月光下的照度只有几lx。

照度可以直接相加。如房间内有3盏灯,它们对桌面上A点的照度分别为E1、E2、E3,则A点的照度EA=E1+E2+E3。

7) 出射度

出射度是表征发光面光辐射强弱的物理量。发光面上某点S,在发光面上取包含S点的足够小的面元dA,该面元发射的光通量若为dΦ,则S点的出射度M是面元发射的光通量dΦ(lm)与面元面积dA之比。

M=dΦdA(1.15)

出射度的单位为lm／m2。因为出射度与照度有同样的量纲,因此也常用照度的单位勒克斯作为出射度的单位。但光出射度表示发光体发出的光通量表面密度,照度则表示被照物体所接受的光通量表面密度,为了与照度单位相区别,出射度的单位一般改称辐射勒克斯,简称辐勒克斯(rlx)。

亮度是描述发光面或反光面上光的明亮程度的光度量。并且,亮度考虑了光的辐射方向,所以它是表征发光面在不同方向上的光学特性的物理量。

若以某发光面上一点S为研究对象。首先在该发光面上取一包含S点的足够小的面元,面积为dA(m2),并设面元的法线方向为n。观察者从某一方向观察该发光面,发光面上S点向观察者方向发出的光强为dI(cd),且该方向与面元法线方向的夹角为θ。发光面上S点在指向观察者方向的亮度是该方向上的光强dI与包含S点的面元dA在垂直于观察方向的平面上的投影dAcos

θ之比,记作L,即

L=dIdAcos θ(1.16)

亮度的国际单位制单位是cd／m2。若1m2发光面沿其法线方向发出1cd光强时,该发光面在其法线方向上呈现的亮度为1cd／m2。

式表明,亮度与被视物件的发光强度或反光面的反光程度有关,还与发光面或反光面的面积有关。例如,在同一照度下,并排放着的白色和黑色物体,因物体表面对光的反射程度不同,人眼看起来的视觉效果也不同,总觉得白色物件要亮得多;而对两个发光强度完全相向的物体来说,例如功率相同的一个普通白炽灯泡和一个磨砂玻璃灯泡,它们在视觉上引起的明亮程度也不同,后者看起来不及前者亮,这是因为磨砂玻璃表面凹凸不平,发光面积较大的缘故。

光在真空中传播时,总是以直线方向进行传播,当遇到某种物体时,光线可能被反射,或者被吸收、被透射。光投射到非透明的物体时,光的大部分被反射,小部分被吸收;光投射到透明物体时,光除被反射与吸收一部分外,大部分则被透射。

1） 吸收比、反射比和透射比

吸收是由于光能转换成能量的其他形态时引起的,一般光能会转换成热能,但也可能转换成不同波长的辐射(如荧光),而在光电池中就转换成电能,在植物的光合作用中就转换成化学能。物体对光的吸收作用可以用吸收比来表征,吸收比是指被物体吸收的光通量与入射到物体表面的初始光通量之比。

当光从一种物质射向另一种物质时,有一部分光将从两种物质的分界面射回原来的物体材料中,这种现象称为光的反射。对光的反射作用可以用反射比来表征,反射比是指被物体反射的光通量与入射到物体表面的初始光通量之比。

光投射在某物体上,有部分光穿透该物体,这种现象称为光的透射。光穿透物质的能力用透射比来表征。透射比是指从物体穿透的光的光通量与投射到物体表面的初始光通量之比。

材料对光的反射、吸收和透射性质用相应的系数表示如下:

反射比ρ=ΦρΦi(1.17)

吸收比α=ΦαΦi(1.18)

透射比τ=ΦτΦi(1.19)

式中：Φi——投射到物体材料表面的光通量；

Φρ——Φi之中被物体材料反射的光通量；

Φα——Φi之中被物体材料吸收的光通量；

Φτ——Φi之中被物体材料透射的光通量。

根据能量守恒原则，应有：

α+ρ+τ=1(1.20)

影响物体对光的吸收、反射和透射作用的主要因素有如下几种:

（1）

物体的性质。物质表面越光滑，反射比就越大；颜色越浅，反射比就越大；透明度越小，反射比就越大。透明材料对光的吸收作用较小,而非透明的表面粗糙且颜色较深的物质对光的吸收作用较大;透明材料的透射比大,非透明材料的透视比为0。

（2）

光程,即光在物质中传播的路程长短对光的吸收有影响。一般来说,光程越长,即光在物体中传播的路程越长,则物体对光的吸收就越强,而通过物体透射的光越少。例如，清澈的水是透明度极高的介质,光可透过水直射水底，但当水很深时,例如在深海中,由于光在水中逐渐被吸收,到水下，光已被完全吸收,因此深海的海底就成了黑暗世界。

（3）

入射光的波长。也就是物质对光有光谱选择性,当入射光的波长改变时,这3个值也随之改变。所以确定物质的吸收比等值时采用的入射光是等能白光,又称北向天空光,其光谱能量分布曲线为一等值的线,每一种物质在这种复合光下有确定的吸收比、反射比和透射比的值。

反射光的分布形式有定向反射和扩散反射两大类,扩散反射又可分为定向扩散反射、漫反射和混合反射。反射光的分布形式。在光发生反射现象时,光的传播方向发生了改变，但光的波长成分不会改变,亦即反射光中不会出现入射光中没有的波长成分。但这并不意味着反射光与入射光具有相同的光谱能量分布,实际上一般都会有所改变。

根据反射光束在空间的扩展情况,光的反射可以分为以下几种情况：

(1) 定向反射

光线照射到表面很光滑的不透明材料上,就出现定向反射,又称为镜面反射或规则反射所示。其特征是光线经过反射之后,仍按一定方向传播,立体角没有变化。定向反射的规律为:

① 入射光线与反射光线以及反射表面的法线处于同一平面；

② 入射光线与反射光线分居法线两侧；

③ 光线的入射角等于反射角。

光滑密实材料的表面,如玻璃镜面、磨光的金属表面等都能形成定向反射。在照明工程中,常利用定向反射进行精确的控光,如制造各种曲面的灯具反光罩,用以重新分配光强,同时也可提高灯具的效率。几乎所有的节能灯具都使用这类材料做反光层,其中有阳极氧化或抛光的铝板、不锈钢板、镀铬铁板、镀银或镀铝的玻璃和塑料等。

(2) 扩散反射

当反射光束的立体角大于入射光束的立体角时,称为扩散反射。扩散反射又可分成定向扩散反射、漫反射和混合反射几种情况。

定向扩散反射的反射光束立体角大于入射光束立体角,即反射光不再像定向反射那样只向一定的一个方向反射,而向其他方向散开,但散开的方向接近定向反射的方向,它的反射光束的轴线方向仍遵循定向反射规则。具有定向扩散反射特性的反光材料,如经过冲砂、酸洗或锤点处理的毛糙金屑表面、光滑的纸、油漆表面等。这时在反射方向可以看到光源的大致形象,但轮廓不如定向反射那样清晰,而在其他方向又类似漫反射材料具有一定亮度。漫反射的特点是反射光的分布与入射角无关,在宏观上没有规则反射,反射光不规则地分布在所有方向上,在任何位置观察反射面,都很难发现入射方向,反射面上也不再有明显的光斑。例如无光泽的毛面材料或由微细的晶体、颜料颗粒构成的表面产生漫反射。可以将这些微粒看做是单个镜面反射器,由于微粒的表面处于不同的方向,故将光反射到许多不同的角度上。

漫反射中的一个特例是均匀漫反射,其特点是反射光的光强分布的包络面是一个与反射表面相切在入射点,球面均匀漫反射的反射光强分布可以用朗伯余弦定律来表示。

Iθ=I0cos θ(1.21)

式中：Iθ——θ角方向上的发光强度(cd)；

I0——表面法线方向上的发光强度(cd)；

θ——表面法线与某一方向的反射光之间的夹角。

按照朗伯余弦定律,可以导出由照度计算均匀漫反射材料表面亮度的简便公式如下:

L=ρEπ(1.22)

式中：L——材料表面的亮度(cd／m2)；

E——材料表面的照度(lx)；

ρ——材料的反射比。

正因为均匀漫反射有上述特点,因此建筑饰面材料常近似地看做具有均匀漫反射特性;这一方面是由于建筑上常用的粉刷涂料、无光泽乳胶漆、无光泽墙纸墙布及石膏板等确实具有近似的均匀漫反射特性,另一方面，当这些材料看做是均匀漫反射材料时可以大大简化照明计算,一般来说，由此而引起的误差基本上在允许范围之内。

多数材料的表面兼有定向反射和漫反射的特性,这称为混合反射。混合反射中有定向反射成分。所以,可在反射角处看见光源的形象,但不那么清晰。这类材料如搪瓷表面和较粗糙的金属表面等。混合反射中定向反射与漫反射两种成分的比值与光线的入射角有关。

3） 光的透射

光投射到某种物质,并从这种物质穿透出来的现象称为光的透射。类似地,根据透射光束在空间的扩展情况,可分为定向透射和扩散透射。

(1) 定向透射

光线射到表面光滑的透明材料上,产生定向透射,。定向透射光束的立体角和方向均保持不变,只在材料内部产生很小的折射现象。透射材料表面没有自身的亮度,只是透过光源的亮度而已。例如普通平板玻璃,光通过透光的平板玻璃时,玻璃的两侧表面彼此平行,则透射过来的光线方向与入射光线的方向相同,所以隔着玻璃看另一侧的光源和景物时很清楚,且不变形。定向透射又称为规则透射,其特点是光透过介质后透射光仍按一定的方向传播。

当光通过透光的非平行面的板材时,透射光的方向因折射而不再与入射光方向平行,但其方向仍有一定的规则,所以仍属于定向透射。例如因质量原因,使平板玻璃的两侧出现不规则的不平行,因此从某一侧虽可以看到另一侧的物体,但却发生了变形。

(2) 扩散透射

扩散透射的特点是透过介质的透射光束被扩展了,根据扩展的情况，扩散透射可分为定向扩散透射、漫透射和混合透射这几种形式。

定向扩散透射。磨砂玻璃为典型的定向透射材料,在入射光的背侧,仅能看见光源和景物的模糊影像。透过磨砂玻璃虽不能看清光源的模样,但能看出光源的位置。

漫透射和均匀漫透射。例如乳白玻璃和半透明塑料等材料具有均匀漫透射的特性,整个透光表面亮度均匀,完全看不见背侧的光源。这类材料用做灯罩或发光顶棚时,使人感到光线柔和舒适。

按照朗伯余弦定律可以导出由照度计算均匀漫透射材料表面亮度的简便公式:

L=τEπ(1.23)

式中：L——透光表面亮度(cd／m2)；

E——材料表面的照度(lx)；

τ——材料的透射比。

严格来说,只有光透过悬浮有密集的细小微粒的空间时才具有漫透射的特性,一般透射只能算是混合透射。

4） 光的折射

(1) 光的折射

光在透明介质中传播,当光从密度小的介质(光疏物质)进入密度大的介质(光密物质)时,光速减小;反之,光速增大。由于光速的变化造成光线方向的改变,这就是光的折射,。

光的折射规律为:入射光线、折射光线与介质分界面的法线处于同一个平面内,且分居于法线的两侧;入射角的正弦与折射角的正弦之比,对确定的两种介质来说，入射角i的正弦与折射角γ的正弦之比是一个常数，即

n1sin i=n2sin γ(1.24)

式中n1和n2分别为两种介质的折射率。

利用折射能改变光线方向的原理制成的折光玻璃砖、各种棱镜灯罩,能精确地控制光的分布。

(2) 全反射

可知,当光从光密介质射向光疏介质时,入射角i将小于折射角γ。例如光从水中射向空气时，因为水相对空气而言是光密介质,而空气相对于水则是光疏介质,因此入射角i小于折射角γ。

如果逐渐增大入射角i，则折射角γ也随之增大。当入射角增大到一定值时,折射角有可能达到90°,这时的折射光将沿着两种介质的分界面传播。

当入射角继续增大,即入射角大于临界入射角时,光线将不再射入光疏介质,而是从两种介质的分界面处全部反射回原来介质,这种现象称为全反射。

全反射提供了一种理想镜面反射的方法,并已被广泛地应用于棱镜式双筒望远镜、反射式信号灯和灯具的制造中,在光导纤维和照明工程中也都有应用。例如:在游泳池中,常采用水下照明,因灯一般都装在池壁的水下部分,所以它们的光在射向水面时入射角总是大于临界入射角,灯光将不会直接穿透水面而射向水外,使观众感到眩目，但水下照明能使水下照度提高,有利于观众更清楚地观看运动员的水下姿态。